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绪论
湖南农业大学
全日制普通本科生毕业设计
农田灌溉水泵站用电系统设计
TheDesignofwaterpumpstationelectricitysystem
学生姓名：
丰云
学号：
200940914106
年级专业及班级：
2009级机械设计制造及自动化教育
指导老师及职称：
匡迎春副教授
学院：
科学技术师范学院
湖南·长沙
提交日期：
20年月
目录
绪论错误！
未定义书签。
第一章灌区基本资料3
1.1项目区简况3
1.2自然条件3
1.3水文地质条件错误！
未定义书签。
1.4土壤错误！
未定义书签。
1.5现有水利工程错误！
未定义书签。
1.6社会经济条件错误！
未定义书签。
前言
水泵站在当今的农业生产灌溉和生活领域应用广泛，早期水泵控制缺乏完整安全的自动控制机制，不仅浪费大量的人力和物力，并且灌溉效率不高，不能满足水稻的实际需要。
泵站动力系统设计、灌溉方式等不合理，造成水资源浪费严重。
生产效率低下，加剧了水资源短缺的现状目前我国多数泵站设计不合理，设备老化陈旧，自动化水平不高，效率低，能源消耗大。
现代智能型控制器是进行灌溉系统田间管理的有效手段和工具，它可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对操作者本身素质的要求。
除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给作物自动补充，以提高产量、质量，节水、节能。
现代灌溉控制器的研究使用在我国农、林、及园艺为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，还基本停留在人工操作上。
即使有些地方搞了一些灌溉工程的自动化控制系统，也是根据经验发来确定每天灌溉次数和每次灌溉量。
如果灌溉量与作物实际需水量相比太少，便不能有效的促进作物的健康成长；而灌溉量太多，肥水流失，又会造成资源浪费。
同时传统的灌溉法还需要相关专家的实时观察并经验指导生产，劳动生产率低，这也不能与现代化农业向优美、高效化方向发展要求同步。
我国先后引进了以色列、美国、法国、德国等国家的部分先进灌溉控制设备，但价格昂贵，维护保养困难，多数用于农业示范区、科研单位或高校，而且不符合我国土壤的应用特点。
我国自己的现代灌溉控制器的研制和使用尚处于起步阶段，因此，作为一个农业大国，中国研究开发自己的先进的低成本、使用维护方便、系统功能强且扩展容易的国产化数字式节水灌溉器是一项极有意义的工作。
随着继电器技术和传感器技术的迅猛发展，继电器和传感器的价格日益降低，可靠性日益提高，用信息技术改造农业不仅是可能的而且是必要的。
用高新技术改造农业生产，实施节水灌溉已成为我国农业及至国民经济持续发展带战略性的根本大事。
本文旨在设计一套能对作物生长进行自动监控的系统，它能对作物进行适时、适量的灌水，起到高效灌溉、节水、节能的作用。
摘要：
本供配电系统根据农田灌溉需水量和农村电负荷的实际情况，并适当考虑到生产的发展，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求进行设计。
根据原始资料，按需要系数计算负荷，确定水泵电机的型号，进行农田灌溉水泵站用电系统的主电路设计和控制电路设计，以及只是电路，试水泵站灌溉效果优异，并且操作方便、简单。
关键词：
水泵农田灌溉电动机水泵站
Abstract:
thepowersupplyanddistributionsystemaccordingtotheactualsituationoffarmlandirrigationwaterdemandandruralelectricload,andwithdueregardtothedevelopmentofproduction,designedinaccordancewithsafeandreliable,advancedtechnology,reasonableeconomyrequirements.Accordingtotheoriginaldata,thecomputationalloadrequiredcoefficient,determinethepumpmotortype,farmirrigationpumpstationdesignofmaincircuitandcontrolcircuitofelectricsystem,andonlythecircuit,testpumpstationirrigationeffectisexcellent,andtheoperationisconvenient,simple.
Keywords:
waterpumpmotorpumpstationoffarmlandirrigation
第一章灌区基本资料
1.1项目区简况
项目区位于汨罗市沙溪镇金鹅村境内，项目涉及到三寺塘、丰家组、戴家组、张家冲、苏家组、白马洞六个组。
居户136，人口513人，人均收入738.19元，土地面积453.91公顷，交通方便。
其四至范围分别为：
东接农科村；南和划江村相连；西与苏溪村和大桥村接壤；北连沙溪镇。
1.2自然条件
1.2.1地形﹑地势
项目区属低山丘陵区，地势较低，海拔高程在340米至510米之间，相对高差170米左右。
区内为向斜发育而成的细长台地，逆向平行岭谷地貌。
山丘较多，地下水丰富，有小溪流过，但水源地较低，无法直接自流灌溉。
1.2.2气温
项目区属亚热带湿润季风气候区，其特点是气侯温和，降雨充沛﹑四季分明﹑光照充足﹑霜雪少﹑春暖夏热多伏旱，秋凉多绵雨，冬冷无酷寒，立体气候较为明显。
区内多年平均气温18.5°C,极端最高气温41.7°C,极端最低气温-1°C.年均积温6351度，年均日照小时数1650.1小时，年均太阳辐射热73千卡/平方厘米，无霜期296天，多年平均降雨量1094.4毫米，最大降雨量为1470毫米。
相对湿度为78%。
二、设计流量
1.调查资料
灌区的田亩数为453.91公顷，一市寸水能搞旱天数为三天及渠系水利用系数为0.7。
2．设计流量
（1）查表流量
根据已知资料“一市寸水能抗旱3天及渠系水利用系数为0.7”查附录表一，可得Ｑ查，
Ｑ查=0.0411~0.0514m3/s
（2）设计流量
由表一所查得的流量已包括20％渠道输水损失（即渠系水利用系数为0.833），则应乘以表二中的调整系数，即Ｑ设=Ｋ.Ｑ查，
Ｑ设=Ｋ.Ｑ查=1*0.046=0.046m3/s=165.6m3/h
三、设计扬程
1．调查资料
净扬程也叫实际扬程，是指水泵工作时，由水源动水面到出水管中心的垂直高程，估算净扬程为
２．初选泵型
初选泵型时，因管路尚未确定，管路损失扬程可查表三确定，查的
损失扬程=实际扬程*10％；
并由水泵流量查表四确定水泵的进口直径，查的水泵的进口直径为150mm
由水泵设计流量、设计扬程和水泵进口直径，从“水泵性能表”查得符合扬程要求而流量又接近的几种不同型号的水泵供选择。
可选择的泵型都有
３．水管直径
（1）进水管直径
按经济管径要求，水泵进水管允许流速Ｖ允＝1.2～2.0m/s（或1.0～1.2m/s，2.0～2.5m/s）则Ｄ进=√￣４￣Ｑ￣/￣π￣Ｖ￣允 （m），计算出的管径应调整到标准管径，
Ｄ进=√￣４￣Ｑ￣/￣π￣Ｖ￣允 （m）=72mm
取标准值为75mm
（2）出水管直径
出水管直径的大小对泵站投资和效率都有很直接的影响，应按经济流速来选定经济合理的管径。
方法一:
Ｄ出=√￣４￣Ｑ￣/￣π￣Ｖ￣允 （m），此法适用于Ｖ允＝1.2～2.0m/s或1.0～1.2m/s或2.0～2.5m/s。
方法二:
①当Ｑ＜120m3/h时，Ｄ出=13√￣Ｑ（mm）；②当Ｑ＞120m3/h时，Ｄ出=11.5√￣Ｑ（mm）；
此法适用于Ｖ允＝1.2～2.0m/s或1.0～1.2m/s或2.0～2.5m/s。
在技术上，管道中最高流速一般不超过，以防止管网因水锤现象发生事故，
Ｄ出=11.5√￣Ｑ（mm）=149.5mm
取标准值150mm
４．损失扬程
根据水管直径、管路长度及管路附件情况，查表五可得。
损失扬程大约为30*0.064=1.92m
５．水泵设计扬程
Ｈ＝Ｈ净＋∑△h=30+1.92=31.92m
四、水泵选型
根据水泵的设计流量、设计扬程和水泵进口直径，按照选泵原则（即流量、扬程能满足要求，水泵工作点的平均效率最高）选择合适的泵型。
选用长沙工业泵国家电力公司定点生产单位的单泵双吸离心泵，转速n为2950（r/min），功率为10kw
由于此次泵站供应六个小组的水，怕供应不过来，因此用双泵供水。
图一水泵站用电系统总体分析
Figure1Electricitysystemoverallanalysisofpumpstation
图二泵站区枢纽平面布置图
Figure2Pumpingstationarealayoutdiagram
上图为此次项目区的水泵站枢纽平面布置图，此水泵站总共由八个三相异步电动机组成，两个是进水水泵，还有六个用于控制排水阀（每个村小组一个）。
设计要求：
1、两台进水泵电机均为10KW，要求全压启动，单方向旋转，六台出水阀电机均370W，要求全压启动，双方向旋转，并且具有自锁功能;
2、每台水泵电机应有相应的保护措施和总停控制；
3、电动机工作时要求有运行指示，若只有第一台进水泵电机在运行，则黄灯亮；若两台进水泵电机同时运行，则蓝灯亮，两台都没运转就白灯亮（A水位高于B水位，B水位高于C水位，当水位降到B水位时，第一台进水泵工作，当水位降到C水位时，两台进水泵一起工作，当水位升到B水位，第二台水泵停止工作，当水位升到A水位时，第一台进水泵也停止工作）；出水阀则哪个阀处于打开状态就亮相应的绿灯，阀关闭则亮相应的红灯;
4、系统要求有电源指示，具备电压表、电流表以及指示灯，只要有电源输入，指示灯就亮；
5、水泵站具有合适的避雷装置。
设计思路
根据设计任务及要求，设计分为绘制电气原理图（主电路和控制电路），配电箱安装图以及电气分布平面图。
主回路设计需要一个空气开关,一个四线闸刀开关，三个熔断器，两台10KW的水泵电动机和六台370W的普通电动机，14个接触器，8个热继电器（过载保护），一个电压表，一个电流表，一个指示灯。
控制回路需要二十三个开关按钮（九个常闭，十四个常开），十二个行程开关，四个水位开关，两个熔断器。
指示回路需要十四个指示灯（六个红、六个绿、一个黄、一个蓝、一个白）。
主电路的设计及控制电路设计
每台电动机可单独工作也可同时工作，要求全压启动，每台电机应有相应的保护措施和总停控制。
主电路采用电压380V，控制电路电压220V.使用空气开关加刀开关加熔断器做电源开关，用接触器来控制电机接通电源，热继电器做过载保护，按钮SB1为总停，SB2、SB4、SB6、SB9、SB12、SB15、SB18、SB21分别作八台电动机的停止按钮，SB3、SB5、SB7、SB8、SB10、SB11、SB13、SB14、SB16、SB17、SB19、SB20、SB22、SB23分别作八台电动机的启动按钮，且用接触器的辅助常开触点并联启动按钮起自锁作用。
进水泵电机自动控制线路设计
由于设计要求，当水位降到B水位时（A水位高于B水位，B水位高于C水位），第一台进水泵工作，当水位降到C水位时，两台进水泵一起工作，当水位升到B水位，第二台水泵停止工作，当水位升到A水位时，第一台进水泵也停止工作，蓄水池塘GSK装置示意图如下：
图三蓄水池塘GSK装置示意图
Figure3WaterstoragepondGSKschematicdiagram
进水泵的控制回路设计如下图：
图四进水泵的控制回路设计图
Figure4Controlcircuitdesignofwaterpump
放水阀电机采用的是行程开关自动开关的，它的控制电路图如下：
图五放水阀电机控制回路设计图
Figure5Drainvalvemotorcontrolcircuitdesign
指示灯电路的设计
逻辑设计法：
设：
两台进水泵电机分别为A、B；六台出水阀电机分别为C、D、E、F、G、H；黄灯为F1、蓝灯为F2，白灯为F3；绿灯分别对应为F4、F5、F6、F7、F8、F9；红灯分别为F10、F11、F12、F13、F14、F15。
令开机为“1”，停机“0”。
灯亮为“1”，不亮为“0”。
进水泵指示灯程序设计
1真值表：
表一进水泵指示灯真值表
Table1Thewaterpumplightoftruthvaluetable
ABF1F2F3
00001
10100
1101O
2逻辑式：
F1=
F2=ABF3=
3控制线路：
图六黄灯控制电路
Figure6Theyellowlampcontrolcircuit
图七蓝灯控制电路
Figure7Thebluelightcontrolcircuit
图八白灯控制电路
Figure8TheWhitelightcontrolcircuit
排水阀电机指示灯程序设计
1真值表：
表二排水阀电机指示灯真值表
Table2Drainvalvemotorindicatorlightoftruthvaluetable
CDEFGHF4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F15
000000000000111111
000001000001111110
000010000010111101
000011000011111100
..................
..................
..................
111100111100000011
111101111101000010
111110111110000001
111111111111000000
2逻辑式：
F4=CF5=DF6=EF7=FF8=GF9=H
F10=
F11=
F12=
F13=
F14=
F15=
3控制线路：
图九绿灯控制线路
Figure9Thegreenlightcontrolcircuit
图十红灯控制线路
Figure10Theredlightcontrolcircuit
综合以上白、黄、蓝、红、绿灯的指示电路，水泵站总体指示灯电路原理图如下：
图十一水泵站指示灯电路原理图
Figure11Waterpumpstationindicatinglampcircuitprinciplediagram
防雷由于控制室内配电柜的特殊性及相对于供电系统的独立性，难以安装多级电源浪涌保护器（多级避雷器安装时两级间的安装距离必须大于10米）。
根据这一特点，对电源线路总配电箱拟采用1台B+C并联式电源浪涌保护器（Ⅰ+Ⅱ级）进行防雷保护，电源浪涌保护器型号为REP-XELBC15。
第三级浪涌保护采用限压型SPD并联安装在五套变频控制柜内电源进线端我们在设计时选用REP-D286模块式避雷器，它可以将供电线路上的雷电流及过电压限制在1500V安全电压以内，以保证变频器的安全，保证在雷雨季节变频控制系统也能正常、安全的工作。
将B+C级电源浪涌保护器并联安装在控制室总配电柜内，其前级为泄流能力强、通流量大的泄流器件，将大部份雷电电流泄放入地；后级为反应时间快，限制电压低的浪涌保护器件，把前级的残压进一步降低。
当雷电侵入时或开关过电压超过REP-XELBC15的阀值电压时，REP-XELBC15电源浪涌保护器将在25ns内由高阻变为低阻，形成短路，将雷电过电压分流入大地。
当雷电电流过强时，REP-XELBC15前级电路短路后，将通过退耦电感，将大部份雷电电流反射回C级电源浪涌保护器，由C级避雷器将强大的雷电电流短接入地。
这两级电源浪涌保护器的有机配合，能达到多能电源保护器的作用，有效降低雷电对供电系统的损害。
保证控制柜内的设备不会因供电线路上的雷电过电流而破坏。
元器件的选择
1、水泵电机（pumpmotor）按结构分类应分为卧式电机和立式电机。
因水泵的工作特性为启动力矩相对较小，启动频次相对较少，连续运行时间相对较长等特征，因此水泵电机多数为鼠笼转子的异步电动机或同步电动机。
本次设计选用的为鼠笼转子的三相异步电动机，如下图
转速n为2950（r/min），功率为10kw
2、电源开关
低压断路器：
又称自动空气开关，除了断开电路的作用外，还具有电流过载、欠压、短路保护的作用。
选择依据是：
极数、额定电流、电压类型、电压等级、分断能力、动作频繁程度等。
DZ47-60塑料外壳式断路器，其额定绝缘电压为交流400V，频率为50Hz，额定工作电压为交流220V，其额定电流至60A。
其相关参数如下表所示：
表3-1断路器相关参数
型号DZ47-60
额定功率50Hz
额定绝缘电压400V
动作保护电流60A
灭弧介质空气式
操作方式手动
电线、电缆的选择
1.选择原则
水泵电动机用电设备的电线、电缆应按相应的工作制条件考虑，室内应用耐压500V以上的绝缘导线，穿金属管保护，凡能作暗线的应作暗敷设。
BV-500V塑料绝缘铜芯导线工作温度为105℃。
电源干线宜采用三相四线式干电缆输送，室内也应穿金属管保护，室外穿混凝土孔砖或地下直埋敷设，选用VV22、VLV22型额定电压为1kV的聚氯乙烯绝缘和护套的电力电缆或YJV、YJLV、YJY、YJLY型额定电压为1kV的交联聚氯乙烯绝缘和护套的电力电缆等输电干线
3、熔断器
熔断器（Fuse）主要用于短路保护。
熔断器结构上主要由熔断器座、熔断体（熔体）组成
熔断器分插入式、螺旋式、填料封闭管式等等。
选择依据是：
形式、熔体额定电流（IFU）。
对电流较为平稳的负载（如照明、信号、热电电路等），熔体额定电流就取线路的额定电流。
对具有冲击电流的负载（如电动机），熔体额定电流计取：
单台电机：
IFU=1.5~2.5Ie
多台电机：
IFU=1.5~2.5INmax+∑Ie
式中INmax——功率最大电机的额定电流
∑Ie——除去功率最大电机之外，其余电机额定电流之和。
在本次电路中IFU=1.5~2.5INmax+∑Ie
=2.5*10kw*2/380v+370w/380*6=58.47A
本次实验实用的熔断器型号D247-60.
4、热继电器
热继电器（Thermalover-loadRelay）主要用于电机过载保护。
热继电器分两相式、三相式、三相带缺相保护式三种形式
选择依据是：
形式、额定电流（IFR）。
热继电器热元件的整定电流可调，范围约为0.8~1.2IFR（热继电器的额定电流）
热继电器热元件的整定电流一般按0.95~1.05Ie（电动机的额定电流）选用，对过载能力较差的电机可选得更小些。
本次选取热继电器型号为JRS1-09~25。
5、接触器
接触器（Contactor）分直流接触器、交流接触器两大类
选择依据是：
主触头数、额定电流（IKM）、线圈控制电压的类型、等级等。
对于电动机负载，可按下面的经验公式计算接触器的额定电流：
IKM=Pe/（K×Ue）
式中：
Pe——电机的额定功率
Ue——电机的额定线电压
K——经验系数，取1~1.4
对于动作频繁的工作情况，为了防止主触点的烧坏/过早损坏，应将IKM降低1~2等级使用。
考虑到接触器与热继电器的配套使用，上述热继电器可插接的接触器为CJX2-12，选择型号为CJX2-12的接触器KM1、KM2，其额定电压为220V，相关参数如下所示：
表3-2接触器相关参数
额定电压额定绝缘电压接通最大额定断开最大额UN（V）（V）电流（A）定电流（A）
38066010倍8倍额定电流
7、控制按钮
控制按钮（Push-button）：
是一种结构简单，应用广泛的主令电器，是一种用来短时接通/断开小电流控制电路的主令电器
选择依据是：
触点对数、动作要求、结构形式、颜色、是否自带指示灯等；
电压等级、通流能力（1~8A）。
.
一般启动按钮——绿色
停止按钮——红色
紧急操作——蘑菇式按钮
主电路及控制电路所需的主要元器件明细表
代号名称型号及要求数量
M
电动机
额定功率10KW
3
KM
交流接触器
CJX2-12380V50HZ
3
FR
热继电器
JRS1-09~25
3
QF
空气开关
DZ47-60三极
1
FU
熔断器
D247-60
1
KA
中间继电器
J2X-22F142220V
3
SB
按钮
LAY37（PBC）
7
HL
指示灯
绿色，黄色，红色
3
KT
时间继电器
JS14P
2
工作原理：
通电后，（电源指示灯亮，电压表指示220V，电流表指示）红灯亮一秒，停一秒。
按下SB3后，KM1自锁，电动机M1启动，绿灯亮。
按下SB5，KM2自锁，电动机M2启动，绿灯灭，黄灯亮。
按下SB7，KM3自锁，电动机M3启动，黄灯灭，白灯亮。
按下总停SB1后，红灯亮一秒，停一秒。
四、故障分析
设备可能存在的问题有：
1、再按钮接线时由于线号记录不准确，导致检查线路时费时费力，所以线路的线号一定要记录且准确;
2、在实物图通电运行时，俩个时间继电器一个为220V一个为380V，导致380V的继电器电压不足，不能动作，所以，选择器件时是一定要仔细。
1.启动后不出水：
泵内有空气或进水管积气，或是底阀关闭不严灌引水不满，真空泵填料严重漏气，闸阀或拍门关闭不严。
排除：
清除杂物，更换已损坏的橡皮垫，改变阀片方向；压紧或更换新的填料，关闭闸阀或拍门；加大灌引量，直到放气螺塞处不冒泡为止；更换有裂纹的管子；降低扬程，将水泵的管口压入水下0.5米。
2.启动时泵不转：
填料太紧或叶轮与泵体之间被杂物卡住而堵塞，或者是泵轴、轴承、减漏环锈住，或是泵轴严重弯曲。
排除：
放松填料，疏通引水槽；拆开泵体清除杂物、除锈；拆下泵轴校正或更换新的泵轴。
3.水泵发热轴承损坏：
滚动轴承或托架盖间隙过小；泵轴弯曲或两轴不同心；胶带太紧；缺油或油质不好；叶轮上的平衡孔堵塞，叶轮失去平衡，增大了向一边的推力。
排除：
更换轴承；拆除后盖，在托架与轴承座之间加装垫片；调整泵轴或调整两轴的同心度；适当调松胶带紧度；加注干净的黄油，黄油占轴承内空隙的6
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